JP2009226911A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、発熱体によって加熱する発泡液と吐出液とを分離膜によって分離した液体吐出ヘッドにおいて、液滴の吐出効率の向上及び高速の連続吐出の安定化を図る。
【解決手段】可動分離膜１１３と基板１００との間に発泡液室Ｒ２が形成され、可動分離膜１１３と吐出口形成部材１４０との間に発泡領域と分離された吐出液室Ｒ１が形成されている。発泡液室Ｒ２内の発泡液を発熱体１０１の熱によって発泡させると可撓性分離膜１１３は変位し、吐出液室Ｒ１内の吐出液は吐出口１４１から吐出される。吐出液室Ｒ１には第１の流路ＣＨ１が連通し、発泡液室Ｒ２には第２の流路が連通する。第１の流路ＣＨ１は、基板１００に形成された吐出液流通用の第１の貫通孔１０３、１０４を含み、第２の流路ＣＨ２は、基板１００に形成された第２の貫通孔１０５を含む。これにより、各流路への吐出液及び発泡液の供給は、基板の裏面側から行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱エネルギを用いて液体を吐出する液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法に関し、特に、気泡の発生を利用して変位する可動分離膜を用いる液体吐出方法及び液体吐出ヘッドに関する。

熱などのエネルギを吐出すべき液体（以下、インクと称す）に与えることで、インク内に気泡を発生させ、その気泡発生時の圧力によって吐出口からインクを吐出し、これを記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方式が従来より知られている。このように吐出エネルギとして熱エネルギを用いるインクジェット記録方式を採る記録装置（インクジェット記録装置）には、特許文献１や特許文献２に開示されているような液体吐出ヘッドを用いるものが知られている。この液体吐出ヘッドは、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内に配されたインクを吐出するための吐出エネルギ発生手段としての発熱体（電気熱変換体）とを備えている。

一般にインクジェット記録装置では、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができるという利点があり、さらに、上記のように吐出エネルギとして熱エネルギを用いる記録ヘッドではインクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができる。このため、この種のインクジェット記録装置では、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにはカラー画像も容易に得ることができるなどの多くの優れた利点を有している。このため、この種のインクジェット記録方式は、プリンター、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらには捺染装置やフォーム印刷機、ダンボール印刷機などの幅広い産業用印刷システムにまで利用されるようになってきている。

他方、従来の熱エネルギを用いたインクジェット記録ヘッドにおいては、発熱体がインクに接した状態で加熱を繰り返すため、発熱体の表面に色材などの組成物やその炭化物などによる堆積物が付着する場合があった。こうした堆積物は、発熱体によるインクの加熱性能を低下させ、吐出される液滴の液量の減少、あるいは吐出不良などを発生させることがある。また、吐出すべき液体が熱によって劣化し易い液体の場合や十分な発泡が得られにくい液体の場合、前述の発熱体によってインクを直接加熱してインク内に気泡を発生させる方式では液体を適正に吐出できないこともある。

これに対して、吐出液を発熱体によって直接加熱しない構成の液体吐出ヘッドが特許文献３に開示されている。この液体吐出ヘッドは、オリフィスを備える作用室内の吐出液（インク）と、発熱体によって加熱される液体（被加熱液）とが分離膜によって分離されている。そして、発熱体によって被加熱液に状態変化（液体の蒸気化）を生じさせ、その作用力によって分離膜を変位させて吐出液の吐出を行う。したがって、この液体吐出ヘッドによれば、被加熱液として、熱による劣化、堆積が生じにくい液体を使用することが可能となり、発熱体による加熱性能を維持することが可能となる。

また、被加熱液と吐出液とを分離膜によって分離する構成を有する液体吐出ヘッドとして、特許文献４には、液体吐出ヘッド全体を大きな分離膜によって上下に分離する構成も開示されている。この大きな分離膜は、流路を形成する二つの板材によって挟持され、この膜によって二つの液路内の液体が互いに混合しないようになっている。このため、この特許文献４に開示の液体吐出ヘッドにおいても、上記特許文献３と同様に、発熱体の加熱性能を維持することが可能となる。

特公昭６１−５９９１１号公報 特公昭６１−５９９１４号公報 特開昭５５−８１１７２号公報 特開昭５９−２６２７０号公報

上記のように特許文献３には、被加熱液と吐出液とを分離膜によって分離する構成を有しているが、高速かつ高画質な記録が求められる現在の記録装置に適するものとはなっておらず、実用的な水準には至っていない。現在のインクジェット記録装置では、毎秒２００００回を越す高速な吐出動作が連続的に行われている。このため、吐出液を迅速に供給可能であることが必要であり、また、被加熱液の高温化を避けるために、被加熱液の供給、流動を行うことも必要となる。しかしながら、上記特許文献３には、吐出液及び被加熱液の供給などについて具体的な構成は開示されておらず、現在のインクジェット記録装置に適用し得る構成を備えるものとはなっていない。

また、特許文献４に開示の液体吐出ヘッドにあっては、液体吐出ヘッド全体を大きな分離膜によって上下に分離する構成となっている。このため、吐出液を供給する供給口をインク吐出用のオリフィスの形成された表面部材に形成せざるを得ず、これがインクジェット記録装置への適用を困難なものとしている。すなわち、オリフィスから吐出されたインクを適正に記録媒体に着弾させるためには、オリフィスと記録媒体との間隔を可能な限り小さく設定することが必要であり、そのためには、オリフィスが形成された表面部材と記録媒体との間隔も小さくする必要がある。ところが、上記のように表面部材にはインクを供給するための供給口が形成されているため、この供給口とインク供給源との接続が極めて困難になる。従って、特許文献４に開示の液体吐出ヘッドでは、供給口をオリフィスから大きく離間させた位置に形成し、供給口とインク供給源との接続部分が記録媒体と干渉しないような配慮が必要となり、記録ヘッドの大型化、及び設計上の自由度低下を招くこととなる。また、供給口をオリフィスから大きく離間させる場合には、液体吐出ヘッドの各オリフィスから供給口までの距離が大きくなるため、オリフィスに対し迅速なインク供給が困難になり、高速な記録動作に対応しにくくなるという問題も生じる。

本発明は、発熱体によって加熱する発泡液と吐出液とを分離膜によって分離した液体吐出ヘッドにおいて、液滴吐出のための吐出効率を向上させることができると共に、高速の連続吐出を安定的に行える液体吐出ヘッド及びその製造方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
すなわち、本発明の第１の形態は、吐出液を吐出させるための吐出口を形成した吐出口形成部材と、前記吐出口との対向位置に発熱面を有する基板と、前記吐出口と前記発熱面との間に配置された可動分離膜と、を有し、前記可動分離膜と基板との間に発泡領域が形成されると共に、前記可動分離膜と前記吐出口形成部材との間に前記発泡領域と分離された前記吐出液室が形成され、前記発熱面の熱により前記発泡領域内の発泡液を発泡させて前記可撓性分離膜を変位させることにより、前記吐出液室内の吐出液を前記吐出口から吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出液室に連通する第１の流路と、前記発泡領域に連通すると共に、前記第１の流路に対し液体流通不能に分離された発泡液供給用の第２の流路と、を備え、前記第１の流路は、前記基板に形成された第１の貫通孔を含み、前記第２の流路は、前記基板に形成された第２の貫通孔を含むことを特徴とする。

本発明の第２の形態は、吐出液を吐出させるための吐出口を形成した吐出口形成部材を用意する工程と、前記吐出口と対向する位置に発熱面を有する基板を用意する工程と、前記吐出口と前記発熱面との間に可動分離膜を設ける工程と、前記可動分離膜と基板との間に発泡領域を形成する工程と、前記可動分離膜と前記吐出口形成部材との間に前記発泡領域と分離された前記吐出液室を形成する工程と、前記基板に形成した第１の貫通孔と、該第１の貫通孔と前記吐出液室とを連通させる流路と、を含む第１の流路を形成する工程と、前記基板に形成した第２の貫通孔と、該貫通孔と前記発泡領域とを連通させる流路と、を含む第２の流路を形成する工程と、を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。

本発明によれば、吐出口形成部材と分離膜との間に形成された吐出液室への吐出液の供給、及び分離膜と基板との間に形成された吐出液室への発泡液の供給は、いずれも基板に形成された第１、第２の貫通孔から行うことができる。このため、インクジェット記録装置への適用状態において、記録媒体と対向させる吐出口形成部材に吐出液の供給部を接続する必要はなくなり、記録媒体と吐出口形成部材との間隔を小さく設定することが可能になる。また、吐出液を供給する第１の貫通孔は基板に形成すれば良いため、吐出口と第１の貫通孔との距離間隔も短縮化することが可能となり、高速かつ連続的な記録に対応して迅速に吐出液を供給することが可能になる。さらに、第２の貫通孔から発泡液室へと発泡液を供給することにより、発泡液の供給、流動も可能となり、発泡液の高温化、劣化などを低減することが可能になる。

以下、本発明に係る液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。

（液体吐出ヘッドの第１の実施形態）
まず、本発明に係る液体吐出ヘッドの第１の実施形態を図１ないし図３を参照しつつ説明する。なお、図１はこの第１の実施形態における液体吐出ヘッドＨ１の内部構造を示す一部切欠斜視図、図２は図１に示したものの断面図である。また、図３は図１に示す液体吐出ヘッドの内部構造を示す説明平面図である。より具体的には、図３において、（ａ）は吐出口形成部材１４０を取り除いた内部の吐出液及び吐出液の流路（第２の流路）などを示し、（ｂ）は（ａ）で図示した吐出液流路及び可動分離膜を取り除いた発泡液室及び発泡液の流路（第１の流路）などを示している。
図１ないし図３において、液体吐出ヘッドＨ１は、シリコンからなる基板１００と、基板１００の表面（図では上面）に形成された第２の積層部１２０と、その表面（図では上面）に形成された第１の積層部１１０と、両積層部を覆う吐出口形成部材１４０とを備える。この吐出口形成部材１４０には、インクなどの吐出液を吐出する吐出口が一定のピッチを介して一列に配列されている。なお、以下の説明において、表面とは、液体吐出口形成部材１４０の外面（吐出口形成面）側に位置する面を指し、これと対向する面を裏面と称す。

基板１００の表面には、複数の発熱体１０１が吐出口１４１の配列ピッチと同一のピッチで一列に配列されており、各発熱体１０１と吐出口１４１とは互いに対向している。各発熱体１０１の両端には、不図示の配線電極が接続されている。なお、１０２は配線電極などに接続された電気接続部であり、ここには外部から電気信号などが入力される。

また、基板１００の表面に形成される第２の積層部１２０は、その表面に接合される可動分離膜１１３及び基板１００と共に、複数の発泡液室Ｒ２とこれに連通する第２の流路ＣＨ２とを形成している。発泡液室Ｒ２は吐出口の配列方向に沿って複数配列されている。また、第２の流路CＨ２は吐出口の配列方向に延出しており、その両端部は、基板１００に形成された２個の貫通孔（第２の貫通孔）１０３及び１０４（図３（ａ）参照）に連通している。この２個の貫通孔のうち、一方の貫通孔１０３は、発泡液を発泡液室Ｒ２に供給する発泡液供給口を構成し、他方の貫通孔１０４は、発泡液室Ｒ１から流出した発泡液を排出させる発泡液排出口を構成している。

各発泡液室Ｒ２は、各発熱体１０１を囲むように形成された複数の隔壁部１２１と、その上面に液密に接合される可動分離膜１１３とにより形成されている。各隔壁部１２１は、相対向する一対の側部１２１ａと両側部１２１ａを連結する連結部１２１ｂとから構成されている。また、各発泡液室Ｒ１は隣接する隔壁部１２１との間に形成される流入口ｇ１を介して第２の流路ＣＨ２を構成する供給側流路ＣＨ２１と連通し、流出口ｆｇ２を介して排出側流路ＣＨ２２に連通している。なお、この各発泡液室Ｒ１内において、発熱体１０１の発熱面から可動分離膜１１３までの投影領域は、発熱体１０１の熱エネルギによって発泡液内に気泡が発生する発泡領域となっている。従って、隣接する発泡領域は発泡液室によって実質的に隔離されている。

また、排出側流路ＣＨ２２は、第２の積層部１２０、可動膜１１３、隔壁１２１、及び基板１００によって形成されている。供給側流路ＣＨ２１は、第２の積層部１２０、可動膜１１３の表面側に設けられる後述の第１の積層部１１０、吐出口形成部材１４０、及び基板１００によって形成されている。

一方、第１の積層部１１０は、第２の積層部１２０の表面に部分的に対向して設けられており、その両側壁部１１２は、第１の積層部１１０における両側壁部１２２の表面に液密に接合している。また、第１の積層部１１０の両側壁部の間には、第１の隔壁１２１の一部と可動分離膜１１３を介して対向する隔壁部１１１が形成されている。この隔壁部１１１は吐出口の配列方向に延出する側部１１１ａと、ここから側方へと突出する複数の突出部１１１ｂとを有し、これらの部分は可動分離膜１１３に液密に接合している。また、複数の突出部１１１ｂは一定の間隔を介して形成されており、可動分離膜１１３及び吐出口形成部材１４０と共に複数の吐出液室Ｒ１を形成している。各吐出液室は、各吐出口に対応しており、隣接する吐出口とは実質的に隔離した領域を形成している。この吐出液室Ｒ１は可動分離膜１１３を介して発泡液室Ｒ２と対向している。また、各吐出液室Ｒ２は、第２の積層部１２０に形成された吐出液供給口１２３を介して基板１００に形成された貫通孔（第１の貫通孔）１０４に連通している。この第１の貫通孔１０４から吐出液供給口１２３を経て発泡液室Ｒ１に至る空間領域が吐出液を供給する第１の流路ＣＨ１となっている。

次に、上記構成の液体吐出ヘッドにおける液体の吐出動作を、図２（ａ）〜（ｅ）を参照しつつ説明する。
図２（ａ）に示す初期状態においては、第１の流路ＣＨ１内の吐出液Ｌが毛細管力によって吐出口１４１の近傍まで満たされている。この状態において発熱体１０１に熱エネルギが与えられると、発熱体１０１は急速に加熱され、気泡発生室Ｒ２内の発泡液を加熱発泡させる（図２（ｂ））。この加熱発泡により生じる気泡Ｂは、膜沸騰現象に基づく気泡であり、発熱面全域に一斉にきわめて高い圧力を伴って発生するものである。このときに発生する圧力は、圧力波となって気泡発生室１０５内の発泡液Ｌ２を伝搬し、可動分離膜１１３に作用してこれを吐出口側へと変位させる。この可動分離膜１１３の変位によって第１の流路ＣＨ１内の吐出液Ｌ１の吐出が開始される。

発熱体１０１の表面全面に発生した気泡Ｂが急速に成長していくと、周囲の液体が膜状になる（図２（ｃ））。発生初期のきわめて高い圧力による気泡の膨張は、可動分離膜１１３をさらに変位させ、それによって吐出口１４１から外方への吐出液の吐出がさらに進み、気泡Ｂが最大になる状態まで可動分離膜１１３も変位する（図２（ｄ））。

その後、気泡が消泡過程に入ると気泡の収縮に伴い、可動分離膜１１３も初期状態に戻る（図２（ｅ））。このとき、吐出し始めてしていた液体は、飛翔する液滴ＬＤと、吐出液室Ｒ１に戻る液体Ｌ１とに分離される。飛翔した液体ＬＤは吐出口形成部材の吐出口面と対向している記録媒体に着弾し、これによって記録が行われる。

次に、吐出液Ｌ１及び発泡液Ｌ２の供給、流動を図２及び図３に基づき説明する。
本実施形態では、吐出液Ｌ１及び発泡液Ｌ２が基板１００の裏面側から供給された後、以下に説明する屈曲した流路を経て可動分離膜１１３の表面側に位置する吐出液室Ｒ１と、可動分離膜１１３の裏面側に形成される発泡室Ｌ２とに供給されるようになっている。

すなわち、基板１００には貫通孔１０５が形成されており、この貫通孔１０５の裏面側（発熱面と反対側の面）の開口部には不図示の吐出液の供給源が接続され、ここから貫通孔１０５内へと吐出液が供給される。貫通孔１０５に供給された吐出液Ｌ１は、図２（ａ）の矢印Ａに示すように吐出液供給口１２３を通過して吐出口形成部材１４０の裏面に当接した後、毛管力によって図２（ａ）及び図３（ａ）の矢印Ｂに示すように各吐出液室Ｒ１内に供給されて行く。これにより、各吐出液室Ｒ１内は吐出液Ｌ１で充填され、吐出口１４１にはメニスカスが形成される（図２（ａ）参照）。

一方、発泡液Ｌ２も基板１００の裏面側から供給される。すなわち、基板１００に形成された発泡液供給口としての貫通孔１０３には不図示の発泡液供給源が接続されており、ここから、貫通孔１０３を経て第２の流路ＣＨ２へと発泡液Ｌ２が供給される。この際、貫通孔１０３に供給された発泡液Ｌ２は、図２（ａ）の矢印Ｃに示すように吐出口形成部材１４０の裏面に当接した後、図２（ａ）及び図３（ｂ）の矢印Ｄに示すように供給側流路ＣＨ２１内へと流入する。その後、供給流路ＣＨ２１に流入した発泡液Ｌ２は、図３（ｂ）に示すように各気泡発生室Ｒ２内に毛細管力で流入して行き、各気泡発生室Ｒ２は発泡液Ｌ２で満たされる。さらに、発泡液室Ｒ２に流入した発泡液Ｌ２は、図３（ｂ）の矢印Ｅに示すように、流出口ｇ２を経て排出側流路ＣＨ２２へと流入し、最終的に排出口を形成する貫通孔１０４から不図示の流路へと排出される。

また、発泡液室Ｒ２への発泡液Ｌ２の供給及び供給した発泡液Ｌ２の流動を可能としているため、高速記録を連続的に行った場合にも、発泡液Ｌ２を流動させることによって発泡液の高温化、劣化などを低減することが可能になる。但し、発泡液は吐出液のように消費するものではないため、通常は大きな流れを必要としない。従って、必要に応じ、上流からの加圧、もしくは下流からの吸引を行うポンプなどの補助機能を用いて液体を流すようにし、安定した発泡状態を保つことが望ましい。

以上のように、この第１の実施形態においては、発泡液室Ｒ１及びこれに連通する第１の流路ＣＨ１と、吐出液室Ｒ２及びこれに連通する第２の流路ＣＨ２とが、互いに液体流通不能に分離されている。そして、第１、第２の流路ＣＨ１とＣＨ２は、いずれも基板１００に形成された貫通孔１０３、１０４、１０５に連結されている。従って各流路ＣＨ１、ＣＨ２での液体の流動及び各液室Ｒ１、Ｒ２への液体の供給、排出は、基板の裏面側に開口する各貫通孔１０３、１０４、１０５に液体供給源を連結することで可能となり、吐出口形成部材１４０の表面には何らの部材も取り付ける必要がない。このため、本実施形態の液体吐出ヘッドをインクジェット記録装置などに適用した場合、吐出口形成部材１４０の表面と記録媒体との間隔を、記録に適した距離まで接近させることが可能となる。従って、この第１の実施形態における液体吐出ヘッドは、高品位な画像形成に適したものとなる。また、吐出液を供給する貫通孔１０５は基板１００に形成すれば良いため、その形成位置は必要に応じて自由に選択することができる。このため、貫通孔１０５との距離間隔が短縮化されるように吐出口１４１の形成位置を設定することが可能になり、高速かつ連続的な吐出を行ったとしても吐出液及び発泡液を、迅速かつ安定的に供給することが可能になる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。

図４は、この第２の実施形態における液体吐出ヘッドＨ２の断面図であり、吐出液及び発泡液の流れ及び吐出動作における可動分離膜の変化を段階的に示している。なお、本実施形態は、上述した第１の実施の形態と基本的に同様な構成を有しており、図４中、上記第１の実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、その説明詳細は省く。
図４（ａ）の初期状態に示すように、この第２の実施形態では、可動分離膜１１３に対し、予め発泡領域側に凸状態となるたるみ１１３ａが形成されており、この点が上記第１の実施形態と異なる。

図４（ａ）において、吐出液、発泡液は、上記第１の実施形態と同様に吐出液室Ｒ１、気泡発生室１０５に充填されている。この充填された状態において発熱体１０１に熱エネルギが与えられると、発熱体１０１は急速に加熱され、発泡領域に存在する発泡液Ｌ２が加熱されて気泡Ｂが発生する（図４（ｂ）参照）。この気泡Ｂの発生時に生じた圧力は、上記の第１の実施形態と同様に、圧力波となって気泡発生室１０４内の発泡液を伝搬し、可動分離膜１１３に作用して可動分離膜１１３を変位させ、その変位によって吐出液の吐出が開始される。この際、第２の実施形態における可動分離膜１１３は、予め発泡領域にたるみ１１３ａを持たせているため、発生した初期の圧力伝搬を受け易く、より効率よく吐出液の吐出が行われる。そして、気泡Ｂの成長に伴い可動分離膜１１３のたるみ１１３ａは吐出口に向かって変位し、消泡と共に初期の位置、すなわち発泡液室側に凸状態となる位置へと変位する。

なお、この第２の実施形態においては、気泡の発生に伴って可動分離膜１１３のたるみ１１３ａが変位するものとなっている。従って、可動分離膜１１３は、たるみ１１３ａが変位可能な材質で形成されるものであれば良く、特に伸縮性を有していない材質で形成することも可能であるが、伸縮性を有する材質の膜を用いることも可能である。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。
図５はこの第３の液体吐出ヘッドＨ３の内部構造を示す一部切欠斜視図、図６は図５に示したものの断面図である。なお、図５及び図６において、上記第２の実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付してあり、その説明の詳細は省く。

上記第１及び第２の実施形態では、液体を吐出する複数の吐出口１４１を一列に配置した液体吐出ヘッドを例に採り説明した。これに対し、この第３の実施形態における液体吐出ヘッドＨ３は、吐出液供給口１２３を挟んで２列の吐出口列（第１の吐出口列１５１と第２の吐出口列１５２）が設けられている。そしてこの２つの吐出口列１５１と１５２のそれぞれに対応して吐出液室Ｒ１、発泡液室Ｒ２、第１の流路ＣＨ１、第２の流路ＣＨ２などを有する液体供給構造が２組設けられている。この２組の液体供給構造は、吐出口列１５１を挟んで略対称な構成を有しており、いずれも上記第２の実施形態と同様の構成となっている。

但し、この第３の実施形態では、各吐出口列１５１を構成する吐出口１４１と、吐出口列１５２を構成する吐出口１４２とが、吐出口の配列方向において１／２ピッチだけずらした位置に配列されている。すなわち、一方の吐出口列における各吐出口１４１の中間位置に、他方の吐出口列の吐出口１４２が配置され、これによって液体吐出ヘッドの各吐出口から吐出されるドットを、１列の吐出口を備える場合に比べて２倍の密度で形成することが可能になっている。なお、この吐出口の配列に伴って各吐出口列１５１、１５２に対応する２組の内部構造も吐出口の配列ピッチの１／２だけ互いにずれた位置に形成されている。

また、この第３の実施形態における基板１００には、吐出液供給口１２３に連通する１つの貫通孔１０５が形成されると共に、その貫通孔１０５の両側に発泡液供給口を形成する貫通孔１０３と、発泡液排出口を形成する貫通孔１０４が２組形成されている。このため、２組の吐出口列１５１、１５２への吐出液の供給、及び各吐出口列１５１、１５２に対応する各発泡室Ｒ２、Ｒ２への発泡液Ｌ２の供給は、いずれも基板１００の裏面側から行うことができる。すなわち、発泡液Ｌ２は、不図示の発泡液供給源から、貫通孔１０５の両側に形成される２個の貫通孔１０３、１０３を経て、これらに連通する２個の供給側流路ＣＨ２１，ＣＨ２１内に流入する。そして、各貫通孔１０３、１０３を通過した発泡液Ｌ２は、図６の矢印Ｃに示すように、吐出口形成部材１４０の裏面に当接した後、矢印Ｄに示すように発泡室Ｒ２、Ｒ２へ向けて流動し、流入口ｇ１，ｇ１から発泡室Ｒ２、Ｒ２へと流入する。発泡室Ｒ２、Ｒ２内に充填された発泡液Ｌ２は、さらに流出口ｇ２から排出側流路ＣＨ２２、ＣＨ２２に流入し、最終的に発泡液排出口を形成する貫通孔１０４、１０４から外部へと排出される。

また、吐出液Ｌ１は、不図示の吐出液供給源から中央部に形成された１つの貫通孔１０５及び吐出液供給口１２３へと供給される。そして、図６の矢印Ａに示すように、吐出液供給口１２３を通過した吐出液Ｌ１は、吐出口形成部材１４０の裏面に当接した後、矢印Ｂ１、Ｂ２に示すように分流され、吐出口供給口１２３の両側に形成された複数の吐出液室Ｒ１、Ｒ１に流入される。これにより、各吐出液室Ｒ１、Ｒ１には吐出液が充填され、各吐出口１４１にはメニスカスが形成され、吐出動作可能な状態となる。各吐出口列１５１、１５２における各吐出口からの吐出液の吐出動作は、上記第２の実施形態と同様に発泡液Ｌ２を発泡させ、可動分離膜１１３のたるみ１１３ａを変位させることによって行うことができる。なお、この第３の実施形態においても、可動分離膜１１３には伸縮性を有する膜を用いることが可能であることは勿論であり、伸縮性を有する膜を用いる場合には、上記第１の実施形態のように可動性分離膜１１３にたるみを設けない構成とすることも可能である。

以上述べたように、上記各実施形態の構成によれば、吐出液と発泡液とを別液体とし、吐出液を安定的に高速で吐出させることができる。このため、従来、熱を加えても発泡が十分行われにくく吐出力が不十分であった高粘度の液体であっても、この液体を発泡室に供給し、発泡が良好に行われる液体を発泡液室に供給することで良好に液体を吐出させることができる。発泡を良好に行うことができる液体としては、例えば、エタノール：水＝４：６の混合液（１〜２ｃｐ程度）がある。

また、発泡液として、熱を受けても発熱体の表面にコゲなどの堆積物を生じさせない液体を選択することにより、発泡を安定させ、良好な吐出を行うことができる。

また、加熱に弱い液体を吐出液として用いる場合にも、発泡室に熱的に変質しにくく良好な発泡を生じさせ得る液体を供給すれば、加熱に弱い液体に熱的な害が及ぶことはなくなり、しかも高速かつ高吐出力で液体を吐出させることができる。

なお、上記各実施形態では、吐出口列を１列または２列の吐出口列を有する液体吐出ヘッドを例に採り説明したが、本発明は、３列以上の吐出口列を有する液体吐出ヘッドにも適用可能である。例えば、吐出口列を奇数列備える場合には、上記第１または第２の実施形態と、第３の実施形態とを組み合わせた液体供給構造を用いれば良い。また、吐出口列を偶数列備える場合には、上記第３の実施形態における液体供給構造を複数備える構成とすれば良い。

また、本発明に係る液体吐出ヘッドは、記録媒体と液体吐出ヘッドとを相対的に移動させるインクジェット記録装置に適用可能である。このインクジェット記録装置としては、記録媒体の搬送方向と交差する方向へと液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型、又は位置を固定した液体吐出ヘッドに対し記録媒体を移動させるフルライン型のいずれにも適用可能である。

（液体吐出ヘッドの製造方法の実施形態）
次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法の一実施形態を図７ないし図９に基づき説明する。なお本実施形態においては、図５に示すように、吐出液供給口１２３を挟んで２列の吐出口列が形成されている液体吐出ヘッドを製造する工程を説明する。但し、本実施形態における以下の製造工程では、各吐出口列の各吐出口が吐出液供給口を介して互いに対称となる位置に配列される場合を例に採り説明する。

図７は本実施形態における液体吐出ヘッドの基板１００を複数面付けしたウエハを示す説明平面図、図８は液体吐出ヘッドの製造において、図７に示すウエハに対して行われる各工程を、ウェハ１００内の一つの基板１００に着目して説明する説明図である。
図８（ａ）に示す基板１００には、シリコンなどの基体上に絶縁及び蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜が成膜されている。さらに、このシリコン膜の上に０．０１〜０．２μｍ厚の発熱体１０１を構成する電気抵抗層と、０．２〜１．０μｍ厚のアルミニウムなどの配線電極とがパターニングされている。電気抵抗層は、ハフニウムボライド、窒化タンタル、タンタルアルミなどによって構成されている。各発熱体１０１の両端には、それぞれ配線電極が接続されており、この一対の配線電極から発熱体１０１に電圧を印加して電流を流すことにより、発熱体１０１を発熱させることができる。配線電極の間の電気抵抗層上には、酸化シリコンや窒化シリコンなどの保護層が０．１〜０．２μｍ厚で形成され、さらにその上に、０．１〜０．６μｍ厚のタンタルなどの耐キャビテーション層が成膜されている。電気抵抗層は、この保護層及び耐キャビテーション層によってインクなど各種の液体から保護される。特に、気泡の発生・消泡の際に発生する圧力や衝撃波は非常に強く、硬くて脆い酸化膜の耐久性を著しく低下させるため、金属材料のタンタルなどが耐キャビテーション層として用いられる。また、使用する液体、流路構成、抵抗材料の組み合わせによっては、上述の保護層を必要としない構成を採ることも可能である。

本実施形態においては、発熱体として、電気信号に応じて発熱する電気抵抗層で構成された発熱体１０１を有するものを用いたが、本発明に係る発熱体はこれに限定されるものではなく、吐出液を吐出させるのに十分な気泡を発泡液に生じさせるものであればよい。例えば、発熱部としてレーザなどの光を受けることで発熱するような光熱変換体や高周波を受けることで発熱するような発熱部を有する発熱体であってもよい。

なお、本製造方法で用意した基板１００は、発熱部を構成する電気抵抗層とこの電気抵抗層に電気信号を供給するための配線電極とで構成される電気熱変換体を備えるものとなっている。しかし、基板１００には、前記の電気熱変換体のほか、電気熱変換素子を選択的に駆動させるトランジスタ、ダイオード、ラッチ、シフトレジスタなどの機能素子が一体的に半導体製造工程によって作り込むことも可能である。

また、上述したような基板に設けられている電気熱変換体の発熱部を駆動し、液体を吐出するためには、電気抵抗層に配線電極を介して矩形パルスを印加し、配線電極間の電気抵抗層を急峻に発熱させればよい。

次に、前述した基板１００の上に、図８（ａ）に示す第２の流路ＣＨ２を形成する工程を述べる。
まず、基板１００の表面全面に感光性樹脂のドライフィルムをラミネートし、第２の流路ＣＨ２を形成するためのパターンを露光、現像する。これにより、露光された部分が第２の積層部１０８ａを形成し、現像によってドライフィルムが除去された部分が第２の流路ＣＨ２として形成される。この工程において、第２の積層部１０８ａと基板１００との密着力を向上させるために、基板１００表面を、紫外線とオゾンからなる表面処理を行ってもよい。また、発熱部や基板１００に外部から電気信号を入力する電気接続部１１５以外を感光性樹脂の薄い皮膜（１〜１０μｍ）で覆い、その上に上述した第２の積層部１０８を形成してもよい。本実施形態では、密着力の向上と、基板表面の微小な凹凸を平坦化させることを目的として、５μｍ厚の感光性樹脂のドライフィルム（東京応化工業株式会社製；ＴＭＭＲ−ＤＦ）を密着力向上層としてラミネートしている。このドライフィルムに対しては、フォトマスクを介してステッパー（キヤノン製；ＦＰＡ３０００）により、除去すべき領域以外に露光を行う。第２の流路ＣＨ２として、１８μｍ厚の感光性樹脂のドライフィルム（東京応化工業株式会社製ＴＭＭＲ−ＤＦ）をラミネートし、露光後、前記の密着力向上層と併せて現像する。この後、加熱キュアを行い所望の形状の第２の流路を得た。本実施形態においては感光性樹脂としてドライフィルムを用いたが、厚さが均等に形成されるものであればこの限りではなく、液状の感光性樹脂をスピンコートなどによって形成してもよい。

この後、図８（ｃ）に示すように、第１の流路ＣＨ１に吐出液を供給するための吐出液供給口１２３につながる貫通孔１０５と、第２の流路ＣＨ２に発泡液を供給するための貫通孔１０３と、発泡液を排出させるための貫通孔１０４とを形成する。吐出液供給口１２３は上述した第２の流路形成時に同時に形成することができる。第１の流路ＣＨ１に吐出液を供給するための貫通孔（吐出液供給孔）１２３及び貫通孔１０５は、複数の吐出口１４１に対応して複数配列された吐出液室Ｒ１（この時点ではまだ形成されていない）に、比較的多くの吐出液を連続的に供給する必要がある。このため、液体供給口１２３及び貫通孔１０５は、第２の積層部１２０及び基板１００に対し、２本の吐出口列１５１、１５２の間に、吐出口１４１の配列方向に沿ってスリット状に形成する。

一方、第２の流路ＣＨ２内での発泡液の消費量は、吐出液の消費量に比較して著しく少ない。このため、第２の流路ＣＨ２において発泡液の供給、排出を行うための貫通孔１０３及び１０４は、気泡発生室１０５列の両端に円形状に形成されている。

これらの貫通孔１０３、１０４、１０５は、基板１００の表面に形成された第２の流路ＣＨ２と、基板１００上に形成された配線パターンとを保護した後、サンドブラストによって形成した。貫通孔１０３、１０４、１０５の他の形成方法としては、レーザ加工、ダイサーのチョップカット加工によるスリット形成、基板１００の裏面側からの水酸化カリウムによる異方性エッチングなどによるスリット形成を行うことが可能である。さらに、上述のサンドブラスト加工やレーザ加工との複合加工で形成してもよい。

図８（ｄ）は、可動分離膜１１３を第２の流路ＣＨ２を構成する第１の積層部１２０上に接合し、所望の形状に成形した状態を示している。可動分離膜１１３の材質としては、例えばポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォンなどのエンジニアリングプラスティックに代表される耐熱性、耐溶剤性、成形性や薄膜フィルム化などに良好な樹脂がある。この他、可動分離膜１１３の材質としては、シリコーンゴム、塩素化ポリエチレン、フッ素系エラストマなどの上記特性に加え、伸縮性のある樹脂及びそれらの化合物が望ましい。また可動分離膜１１３の厚さは、分離膜としての強度を達成でき、膨張、収縮が良好に動作するという観点からその材質と形状を考慮して決定すればよいが、０．５μｍ〜１０μｍ程度が望ましい。

ここで、一例として、厚さ４μｍの可動分離膜１１３を形成する方法を説明する。まず、塩素化ポリエチレン樹脂（昭和電工株式会社製）のトルエン８％溶液を、予め剥離層を形成したシリコンウエハ１０上に滴下した。なお、剥離層は、例えば、ポリビニルアルコール（株式会社クラレ製；ポバールＰＶＡ１０５Ｈ）の１０％水溶液をスピンコータ（ミカサ株式会社製）で０．５〜１．０μｍの厚さに塗布することによって形成することができる。そして、同様のスピンコータを１０００ｒｐｍの回転数で使用し、シリコンウエハ１０上に塩素化ポリエチレン樹脂のコーティングを行い、同樹脂を乾燥させることによって所望の厚さの膜を形成した。次いで、シリコンウエハ１０ごと温水に浸漬し、形成した膜をシリコンウエハ１０から剥離させ、その剥離させた膜を凸パターンがパターンニングされた、たるみ形成用の凸基板に貼り付けて加熱し、その凸パターンに従って膜にたるみ形状１１３ａを形成した。

その後、貫通孔の加工を終了した基板１００の第２の流路ＣＨ２上に厚さ２μｍ感光性樹脂を転写し、その感光性樹脂に紫外線を照射する。さらに紫外線照射によって反応が開始された感光性樹脂に、凸基板から剥離させた膜を配置する。このとき膜は、そのたるみ１１３ａと各気泡発生室１０５とが合致するように配置する。その後１５分間、膜に対して１２０℃の加熱を行いつつ２ｋｇの圧力を加えることにより、膜と第２の流路ＣＨ２とを接合させる。

次いで、接合された膜のうち、気泡発生室１０５列の上部をマスキングした後、酸素プラズマアッシング装置によって約１５分間の処理を行い、マスキングした部分以外の部分を除去する。この後、マスキングを外すことによって可動分離膜１１３の形成が終了する。
なお、本例では、不要部分の可動分離膜の除去に酸素プラズマアッシング装置を用いたが、可動分離膜を精度よく除去できれば他の加工方法を用いても良く、またエキシマレーザによるアブレーション加工や、ダイサーによる機械加工などを用いてもよい。

図８（ｅ）は、前記可動分離膜１１３を形成した基板１００に、第１の流路ＣＨ１を形成する第１の積層部１０７ａを形成した状態を示す図である。本例において、第１の積層部１０７ａの構造材としては、厚さ４５μｍのドライフィルム（東京応化工業株式会社製；ＴＭＭＲ−ＤＦ）を用いている。このドライフィルムを基板１００上にラミネートし、フォトマスクを介してステッパー（キヤノン株式会社製；ＦＰＡ３０００）で露光し、現像を行う。その後、表面を平坦にするため、ダイヤモンド砥石で切削仕上げ加工を行い、表面粗さを０．５μｍ以下、基板面内を１μｍの平面度に加工して、高さ２０μｍの第１の積層部１０７ａを形成した。このように、本例においては、厚さ４５μｍのドライフィルムを用い、第１の積層部１０７ａを形成した後に切削仕上げ加工を行っている。これは、基板１００の表面には、第２の積層部１０８ａと、可動分離膜１１３と、貫通孔１１１、１１２とが形成されており、それによって１の積層部１０７ａを形成するためのドライフィルムに凹凸が生じるためである。この凹凸を前述の切削仕上げ加工によって平坦化することにより、この後の工程で行う吐出口形成部材２４０との接合を広範囲に亘って均一かつ安定的に行うことが可能になる。これにより、吐出口形成部材２４０と第１積層部１０７ａとの間からの液体のリークを防止することができる。

次に、図９（ｆ）〜（ｈ）を参照しつつ吐出口形成部材１４０の形成工程について説明する。なお、この吐出口形成部材の形成工程は、複数の吐出口形成部材１４０を形成するための領域を含んだウエハ全体に対して対して以下の工程が行われるが、ここでは、ウェハ内の一つの基板２００に着目して説明を行う。

まず、図９（ｆ）に示すように、基板２００上に吐出口１０１を形成する第１層２１０を形成する。なお、ここに示す基板２００は、両面研磨を施したベアシリコンウエハを母材としている。ベアシリコンウエハには、剥離層としてポリビニルアルコール（クラレ製；ポバールＰＶＡ１０５Ｈ）の１０％水溶液が、予め０．５〜１．０μｍの厚さで塗布されている。

第１層２１０の構成材料としては、感光性樹脂のドライフィルム（東京応化工業株式会社製；ＴＭＭＲ−ＤＦ １８μｍ）を用いる。このドライフィルムを基板２００上にラミネートし、フォトマスクを介してステッパー（キヤノン株式会社製；ＦＰＡ３０００）により、図９（ｆ）に示す吐出口１０１となる部分など（図９（ｆ）中、一点鎖線にて示す部分）を除いて露光する。

次いで、吐出口より大きく、吐出液室Ｒ１の一部空間を形成するための第２層２２０を第１層２１０と同様にラミネートし、図９（ｇ）の一点鎖線にて示す部分２２０ａに露光を行う。次いで、第１の流路１０６と、第２の流路１０５を隔離するための隔離壁２３０ａを形成するための第３層２３０を上述の２つの層２１０，２２０と同様にラミネートし、露光を行う。その後、各層に対して一括して現像、熱キュアを行って吐出口形成部材１４０の形成が終了する（図９（ｈ）参照）。吐出口形成部材１４０として、本実施形態では感光性樹脂を用い、これを露光、現像などの工程によって形成する場合を説明したが、精度よく吐出口が形成できると共に製造コストが抑えられる製法であれば、他の製法を用いてもよい。例えば、エレクトロフォーミングや、精密プレスによる吐出口形成などであってもよい。

本実施形態では、吐出液室の体積を確保するために３層の構成としたが、液滴の体積によっては層を簡略化することも可能である。
このようにして複数の吐出口形成部材１４０を含んだ吐出口形成基板（図示せず）を形成した後、その吐出口形成基板を、図８（ｅ）までの工程が完了したシリコンウエハ１０に重ねて接合する。この接合工程では、まず、基板１００の第１の積層部１１０上に、感光性樹脂（東京応化工業株式会社製；ＴＭＭＲ−ＤＦ）を接着層として約２μｍの厚さに転写塗布し、反応を開始させるために紫外線を約９０ｍＪ照射する。次いで、上述の工程を経て作製した液体吐出部材１４０を、基板２００の裏面より赤外線透過機能のある顕微鏡で確認しつつ、吐出液室Ｒ１と吐出口１０１との位置合せを行う。本実施形態では、カールズース社製両面アライナーＭＡ６を用いて吐出液室Ｒ１と吐出口１０１との位置合わせを行い、その後、６０分間、１２０℃の加熱を行いつつ２ｋｇの圧力を加えて複数の吐出口形成基板と複数の基板１００とを接合した。

その後、赤外線透過顕微鏡を搭載したダイサー（株式会社ディスコ製；ＤＦＤ３４１）を用いて、ウエハ１０から各基板１００を分割する。その後、各基板１００を温水に浸漬して吐出口形成部材の基板２００を剥離除去することにより、本実施形態の液体吐出ヘッドが完成した（図９（ｉ）参照）。

第１の実施形態における液体吐出ヘッドの内部構造を示す一部切欠斜視図である。 図１に示したものの断面図である。 図１に示す液体吐出ヘッドの内部構造を示す説明平面図であり、（ａ）は吐出液及び吐出液の流路（第２の流路）などを示し、（ｂ）は発泡液室及び発泡液の流路（第１の流路）などを示している。 第２の実施形態における液体吐出ヘッドの断面図であり、吐出液及び発泡液の流れ及び吐出動作における可動分離膜の変化を段階的に示している。 第３の実施形態における液体吐出ヘッドの内部構造を示す一部切欠斜視図である。 図５に示したものの断面図である。 液体吐出ヘッドを構成する基板を複数面付けしたウエハを示す説明平面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの基板に対して行う各製造工程を示す説明図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの吐出口形成部材の各製造工程を示す説明する。

符号の説明

Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３ 液体吐出ヘッド
ＣＨ１ 第１の液体流路
ＣＨ２ 第２の液体流路
Ｒ１ 吐出液室
Ｒ２ 発泡液室
１０１ 発熱体
１１０ 第１の積層部
１１３ 可動分離膜
１２０ 第２の積層部
１２３ 吐出液供給口
１４０ 吐出口形成部材

Claims (13)

1. 吐出液を吐出させるための吐出口を形成した吐出口形成部材と、前記吐出口とが対向する位置に発熱面を有する基板と、前記吐出口と前記発熱面との間に配置された可動分離膜と、を有し、前記可動分離膜と基板との間に発泡領域が形成されると共に、前記可動分離膜と前記吐出口形成部材との間に前記発泡領域と分離された前記吐出液室が形成され、前記発熱面の熱により前記発泡領域における発泡液を発泡させて前記可動分離膜を変位させることにより、前記吐出液室における吐出液を前記吐出口から吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
   前記吐出液室に連通する第１の流路と、
   前記発泡領域に連通すると共に、前記第１の流路に対し液体流通不能に分離された第２の流路と、を備え、
   前記第１の流路は、前記基板に形成された第１の貫通孔を含み、
   前記第２の流路は、前記基板に形成された第２の貫通孔を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第１の流路は、前記第１の貫通孔を通過した前記吐出液を、当該吐出液が前記第１の貫通孔を通過した方向と交差する方向に流動させて前記吐出液室に供給する屈曲した流路を構成することを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 前記第１の流路は、前記第１の貫通孔を通過した吐出液が前記吐出口形成部材に当接した後、前記吐出液室に向けて流動する流路であることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第２の流路は、前記第２の貫通孔を通過した前記発泡液を、前記第２の貫通孔を通過した方向と交差する方向に流動させて前記発泡領域に供給する屈曲した流路を構成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第２の流路は、前記第２の貫通孔を通過した前記発泡液が前記吐出部材に当接した後、前記発泡領域に向けて流動させる流路であることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記吐出口形成部材は、前記吐出口を複数配列してなる吐出口列を有し、
   前記吐出液室及び前記発泡領域は、前記複数の吐出口それぞれに対応して形成され、
   前記第１の流路は、少なくとも一つの前記第１の貫通孔と、該第１の貫通孔を通過した吐出液を前記各吐出液室に分流して供給する流路とから成ることを特徴とする液体吐出ヘッド。
7. 前記第１の貫通孔は、複数の吐出口列の間に形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記第１の貫通孔は、前記複数配列された吐出口列の中の少なくとも２列の吐出口列の間に形成されていることを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記第１の貫通孔は、前記吐出口の配列方向に沿って延出するスリット状の貫通孔であることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記第２の貫通孔は、前記基板の複数の位置に形成されていることを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記複数の第２の貫通孔のうち、少なくとも１つの第２の貫通孔は前記第２の流路への発泡液の供給を司り、残り第２の貫通孔は、前記第２の流路から外部への発泡液の排出を司ることを特徴とする請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記第２の貫通孔は、前記第１の貫通孔を挟んで、相対する位置に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
13. 吐出液を吐出させるための吐出口を形成した吐出口形成部材を用意する工程と、
    前記吐出口と対向する位置に発熱面を有する基板を用意する工程と、
    前記吐出口と前記発熱面との間に可動分離膜を設ける工程と、
    前記可動分離膜と基板との間に発泡領域を形成する工程と、
    前記可動分離膜と前記吐出口形成部材との間に前記発泡領域と分離された前記吐出液室を形成する工程と、
    前記基板に形成した第１の貫通孔と、該第１の貫通孔と前記吐出液室とを連通させる流路と、を含む第１の流路を形成する工程と、
    前記基板に形成した第２の貫通孔と、該貫通孔と前記発泡領域とを連通させる流路と、を含む第２の流路を形成する工程と、
    を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。

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